Riešenie problémov s rušivým vypnutím kvôli ‚nízkej napäťovej hranici‘ (LVC) v DC prenosových systémoch na dlhé vzdialenosti

Úvod do výziev pri prenose DC napätia

V odľahlých B2B energetických aplikáciách, ako sú mimo sieťové telekomunikačné veže, monitorovacie stanice v petrochemickom priemysle, zavlažovacie systémy v poľnohospodárstve a čerpadlá pre hlboké studne, je fyzické usporiadanie elektrického systému často obmedzené geografickými podmienkami. Často musí byť systém akumulácie energie (batériová banka) umiestnený významnou vzdialenosťou od invertora alebo aktívnych DC zaťažení.

V týchto dlhovzdialených jednosmerných (DC) nastaveniach sa systémoví integrátori často stretávajú s frustrujúcim problémom pri odstraňovaní porúch: menič neočakávane vypne a hlási chybu „Vypnutie pri nízkom napätí“ (LVC) alebo „Nedostatočné napätie batérie“. Toto vypnutie nastáva aj v prípade, keď je batériová banka samotná plne nabitá a funguje pri zdravom úrovni napätia. Tento jav sa nazýva neoprávnene vypnutie.

Tento článok poskytuje technickú analýzu príčin výskytu neoprávneneho vypnutia (LVC) v usporiadaniach dlhovzdialeného jednosmerného (DC) prenosu a popisuje konkrétne inžinierske riešenia na jeho odstránenie.

Otázka: Prečo dochádza k neoprávnenej aktivácii ochrany proti nízkemu napätiu (LVC) v dlhovzdialených jednosmerných (DC) inštaláciách a ako ju môžu inžinieri odstrániť?

Výpadok LVC sa vyskytuje kvôli tomu, že dlhé DC napájací káble majú vlastný elektrický odpor. Keď sa počas štartovania invertora alebo pri veľkých zaťaženiach odoberá veľký prúd, tento odpor spôsobuje významný pokles napätia pozdĺž kábla podľa Ohmovho zákona. V dôsledku toho klesne napätie namerané na vstupných svorkách invertora pod prah LVC, aj keď je batériová banka stále nabité. Na vyriešenie tohto problému musia inžinieri vypočítať a minimalizovať odpor DC kábla, zvýšiť napätie systému, kalibrovať parametre oneskorenia a prahu LVC invertora alebo použiť vzdialené čiary pre meranie napätia.

Fyzika poklesu DC napätia a odporu kábla

Na rozdiel od striedavého prúdu, kde sa poklesy napätia ľahko kompenzujú pomocou transformátorov, je priamoúhlý prúd veľmi citlivý na dĺžku a prierez kábla. Každý elektrický vodič, dokonca aj meď vysoké purity, má špecifický odpor (rho).

Podľa Ohmovho zákona pokles napätia (V_drop) cez dvojicu vodičov je priamo úmerný prúdu (I), ktorý preteká obvodom, a celkovej odporovej hodnote spätného chodu (R) vedenia:

V_drop = I R

Odpor vedenia sa určuje pomocou vzorca:

R = rho ( 2 L ) / A

Kde:

• rho je merný elektrický odpor materiálu (pre meď je rho približne 1,72 × 10^-8 ohm·m).
• L je jednosmerná vzdialenosť medzi batériou a meničom.
• A je prierezová plocha vedenia.
• Násobok 2 zohľadňuje celkovú dĺžku spätného chodu (kladný a záporný vodič).

V nízkonapäťovom jednosmernom systéme je prúd mimoriadne vysoký. Napríklad menič 12 V / 2 kW pri plnom zaťažení odoberá približne 166 ampérov prúdu. Počas intenzívneho špičkového prúdu pri štarte motora môže tento prúd dosiahnuť až 400 A alebo viac.

Ak je striedač umiestnený len 10 metrov (33 stôp) od batériového zásobníka a je pripojený pomocou štandardného medienej drôtu s prierezom 2 AWG (približne 33,6 mm²), celkový odpor dvojsmerného kábla dĺžky 20 metrov je približne 0,010 ohmov.

Pri trvalom prúde 166 A je úbytok napätia:

V_drop = 166 A × 0,010 ohmov = 1,66 V

Ak je batériový zásobník v dobrnom stave s napätím 12,6 V, napätie na vstupných DC svorkách striedača je len:

12,6 V – 1,66 V = 10,94 V

Toto napätie sa blíži štandardnej hranici LVC (Low Voltage Cutoff) 10,5 V. Ak však motor štartuje a prúd sa krátkodobo zvýši na 350 A, úbytok napätia sa okamžite zvýši na:

V_drop_surge = 350 A × 0,010 ohmov = 3,50 V

Napätie na svorkách striedača klesne na:

12,6 V – 3,50 V = 9,10 V

Keďže 9,10 V je výrazne nižšie ako limit LVC 10,5 V, ochranný obvod inverzora okamžite aktivuje ochranu pred podnapätím a vypne striedavý výstup. V momente, keď sa inverzor vypne, odoberaný prúd klesne na nulu, úbytok napätia zmizne a napätie na svorkách inverzora sa vráti späť na 12,6 V. Pre technika vyzerá batériová banka plná a vypnutie sa javí ako hardvérová porucha. Toto je definícia rušivého vypnutia spôsobeného LVC.

Postup riešenia problémov – postupné diagnostické kroky

Ak chcete diagnostikovať a dokázať, že vypnutie spôsobené LVC je spôsobené odporom káblov a nie zlyhávajúcou batériou alebo inverzorom, postupujte podľa tohto postupu merania:

• Krok 1: Meranie statického napätia batérie

Použitím digitálneho multimetra odmerajte DC napätie priamo cez svorky batériovej banky za podmienok bez zaťaženia. Túto hodnotu si zapíšte (napr. 51,2 V pre systém 48 V).

• Krok 2: Meranie statického napätia inverzora

Zmerajte napätie priamo na svorkách jednosmerného vstupu meniča. Pri bezzaťažovnom stave by obe merania mali byť identické.

• Krok 3: Meranie napätia za zaťaženia

Zapnite najťažší záťaž v systéme. Počas bežiaceho (alebo sa snažiaceho štartovať) záťažového režimu zmerajte napätie na svorkách batériového balíka a potom okamžite zmerajte napätie na svorkách meniča.

• Krok 4: Analýza rozdielu

Ak napätie batériového balíka zostáva vysoké (napr. klesne z 51,2 V na 49,8 V), ale napätie na svorkách meniča výrazne klesne (napr. klesne z 51,2 V na 41,5 V), potvrdili ste problém s odporom káblov. Rozdiel (8,3 V) predstavuje úbytok napätia na jednosmerných kábloch.

Inžinierske riešenia na elimináciu rušivého vypínania kvôli nízkemu napätiu (LVC)

Po potvrdení by mali integrátori systémov uplatniť jednu alebo viaceré z nasledujúcich nápravných metód:

• 1. Zvýšenie nominálneho napätia systému

Najúčinnejší spôsob, ako znížiť prúd (a tým aj úbytok napätia), je navrhnúť systém s vyšším menovitým jednosmerným napätím. Výkon (watty) je súčin napätia a prúdu (P = V × I). Ak zvýšite menovité napätie z 12 V na 48 V, prúd potrebný na dodávanie rovnakého zaťaženia 2 kW klesne o 75 % (z 166 A na len 41,5 A). Podľa Ohmovho zákona štvornásobné zníženie prúdu zníži úbytok napätia o 75 %. Vždy, keď je to možné, pre dlhé vedenia zvoľte jednosmerné architektúry s napätím 48 V.

• 2. Zväčšite prierez DC vodiča

Ak sa menovité napätie systému nedá zmeniť, musíte znížiť odpor vodiča zväčšením jeho prierezu (A). Nahraďte káble hrubšími medenými vodičmi, napríklad s prierezom 4/0 AWG (95 mm²), alebo použite viacero paralelných káblov na každú pólu. Uistite sa, že vodiče sú vysokej kvality, jemnovláknové bezkyslíkové meď, ktorá má najnižší prakticky dosiahnuteľný elektrický odpor.

• 3. Upravte nastavenia parametrov LVC invertora

Výkonné invertory, ako napríklad programovateľná séria JYINS, umožňujú inžinierom prispôsobiť nastavenia LVC prostredníctvom digitálneho riadiaceho softvéru. Dajú sa upraviť dva parametre:

• Znížiť prahovú hodnotu LVC: Ak vaša batériová chemická zložka bezpečne vydrží prechodné poklesy napätia bez poškodenia, môžete mierne znížiť vypínacie napätie (napr. z 10,5 V na 10,0 V).
• Pridať oneskorenie LVC: Väčšina jednotiek JYINS je vybavená programovateľným oneskorením (napr. od 0 do 10 sekúnd). Nastavením oneskorenia na 3 sekundy bude inverter ignorovať krátke prechodné poklesy napätia spôsobené špičkovým prúdom pri štarte motora, čo umožní motoru štartovať a napätiu sa obnoviť pred tým, než sa aktivuje ochranný obvod.
• 4. Implementovať diaľkové snímanie napätia

Pokročilé priemyselné systémy môžu využívať diaľkové meranie napätia. Dvojica tenkých, nízkoprúdových vodičov je pripojená priamo od svoriek batérie na riadiacu dosku invertora. Invertor tieto vyhradené snímacie vodiče používa na meranie skutočného stavu nabitia batérie a obchádza tak výkonové vedenia s vysokým prúdom. Invertor spustí vypnutie z dôvodu nízkeho napätia batérie (LVC) iba vtedy, ak klesne skutočné napätie batérie, úplne ignorujúc pokles napätia v kábelovom vedení.

Záver

Nepotrebné vypnutie pri nízkom napätí (LVC) v DC systémoch na dlhé vzdialenosti je klasickým problémom elektrotechniky spôsobeným odporom kábla a vysokou požiadavkou na prúd. Použitím Ohmovho zákona môžu integrátori systémov presne vypočítať úbytky napätia a príslušne dimenzovať mediene vodiče. Prechod na vyššie menovité napätia systému (napr. 48 V), zväčšenie priemeru káblov na ťažké typy a využitie programovateľných oneskorení LVC a vstupov pre diaľkové snímanie od JYINS odstránia nepotrebné vypnutia. Tieto opatrenia zabezpečujú stabilné a nepretržité dodávky energie kritickým mimo sieťovým infraštruktúram, bez ohľadu na fyzické obmedzenia rozmiestnenia lokality.